From the Sector

In der Waschmaschine wird nicht nur die Wäsche sauber. Durch den Abrieb von Synthetikfasern gelangen mit dem Abwasser auch winzige Kunststoffpartikel in die Umwelt. Biologinnen und Biologen der Universität Bonn wollen zusammen mit dem Fraunhofer UMSICHT und der Firma Hengst nach dem Vorbild von Fischkiemen einen effizienten, nachhaltigen und haltbaren Waschmaschinenfilter entwickeln. Das Projekt »FishFlow« wird vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) für ein Jahr mit rund 500 000 Euro gefördert.

Im Fokus stehen Filtertechnologien, die die Verbreitung der unter fünf Millimeter kleinen Kunststoffteilchen unterbinden. Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler der Universität Bonn nehmen nun das Maul von Fischen als biologisches Vorbild für neuartige Filter. »Es gibt viele filtrierende Tiere, aber der Apparat der Fische, von den Kiemenbögen bis zur Weiterleitung der Nahrung in den Verdauungstrakt, weist im Vergleich die höchste Ähnlichkeit zu den Verhältnissen in der Waschmaschine auf«, sagt Prof. Alexander Blanke vom Institut für Evolutionsbiologie und Ökologie der Universität Bonn.

Zusammen mit dem Fraunhofer UMSICHT in Oberhausen und der Firma Hengst in Münster starten die Forschenden ein Projekt, mit dem die Strukturen der Fische nachempfunden werden sollen.

Ziel des Forschungsteams ist ein Filter, der möglichst lange hält, nachhaltig gefertigt ist und eine Rückhalteeffizienz von mehr als 90 Prozent aufweist.

• Fraunhofer CCPE veröffentlicht Positionspapier und Forschungsprogramm zum Recycling von Kunststoffen

Der Fraunhofer Cluster of Excellence Circular Plastics Economy CCPE hat ein Positionspapier zum Stand von Wissenschaft und Technik von Recyclingtechnologien für Kunststoffe vorgelegt. Der Schwerpunkt liegt auf chemischen Recyclingverfahren. Eine Marktanalyse zeigt aktuelle Industrieaktivitäten, außerdem werden die Fraunhofer-Kompetenzen im Kunststoff-Recycling im Überblick dargestellt.

Positionspapier und Forschungsprogramm zum Recycling von Kunststoffen

Rund 30 Fraunhofer Institute und Einrichtungen befassen sich mit dem Recycling und der Aufbereitung von Kunststoffen. Übersicht aktueller Initiativen zur Demonstration und Kommerzialisierung von chemischen Recyclingverfahren.

Das Positionspapier gibt einen Überblick über werk- und rohstoffliche (chemische) Aufbereitungstechnologien für Kunststoffe, die sich derzeit in der Entwicklung befinden und noch nicht zum Stand der Technik zählen. Insbesondere werden sogenannte chemische Recyclingverfahren eingeordnet. Beleuchtet werden dabei der technische Entwicklungsstand der Verfahren, deren Vor- und Nachteile, die regulatorischen und gesetzlichen Rahmenbedingungen, die ökonomische Machbarkeit sowie Potenziale für den Umwelt- und Klimaschutz. Eine Marktübersicht zeigt darüber hinaus, welche Projekte seitens der Industrie im Bereich chemischer Recyclingverfahren derzeit laufen, welche Abfallstoffe behandelt werden und welche Anlagenkapazität vorhanden bzw. geplant ist.

Prof. Matthias Franke, Leiter des Institutsteils Sulzbach-Rosenberg von Fraunhofer UMSICHT, entwickelt vor allem pyrolysebasierte Recycling­technologien. Er fasst die Ergebnisse zusammen: »Die Nachfrage nach hochwertigen Kunststoffrezyklaten nimmt derzeit zu. Hintergrund sind einerseits die Selbstverpflichtungen der Hersteller, andererseits die Vorgaben der Europäischen Union zum Rezyklateinsatz. Mit Rezyklateinsatzquoten und steigenden CO2-Preisen wird die Wettbewerbsfähigkeit von Rezyklaten gegenüber Primärware gestärkt, und die Abhängigkeit vom Rohölpreis aufgehoben. Dies schafft Investitionssicherheit für das Recycling. Neuartige Recyclingtechnologien sind nach unserer Einschätzung technisch in der Lage, die zusätzliche Nachfrage nach hochqualitativen Rezyklaten zu bedienen. Entwicklungs­bedarf gibt es vor allem noch bei komplexen Abfällen wie zum Beispiel Verbundmaterialien. Auch eine ökologische Gesamtbewertung der Verfahren steht noch aus.«

Ausgehend vom derzeitigen Entwicklungsstand schätzen die Fraunhofer Forschenden die Potenziale von alternativen Recyclingtechnologien insgesamt positiv ein, wenn Sie als Ergänzung zu etablierten werkstofflichen Verfahren eingesetzt werden. Sie seien technisch mach- und beherrschbar, sie könnten dazu beitragen, die Kreislaufführung von Kunststoffen zu verbessern und hochqualitative Sekundärrohstoffe für die Industrie bereit zu stellen. Vor allem die rohstofflichen / chemischen Verfahren könnten ein ergänzender Baustein für höherwertiges Kunststoff-Recycling sein besonders bei bisher schwer behandelbaren Abfallströmen.

Die Positionen des Fraunhofer CCPE im Einzelnen:

• Werkstoffliche Verfahren sind für sortenreine Kunststofffraktionen (Thermoplaste) die beste Wahl.
• Mit zunehmender Heterogenität, Verschmutzung oder Kontamination von Kunststoffabfällen kommt das werkstoffliche Recycling an seine Grenzen. Füll-, Stör- und Schadstoffe können in Sortier-, Wasch- und Extrusionsanlagen oft nicht vollständig ausgeschleust werden. Bestimmte Kunststoffsorten sind werkstofflich kaum verwertbar.
• Um eine Steigerung der Kreislaufführung von Kunststoffen zu erreichen, ist eine Ergänzung der werkstofflichen Verfahren durch alternative Prozesse und Prozess-Kombinationen erforderlich.
• Da chemische Recyclingverfahren ebenfalls in der Lage sind, Sekundärrohstoffe für die Kunststoffproduktion bereitzustellen, sollte die werkstoffliche Verwertungs­quote im Bereich der Verpackungskunststoffe durch eine technologieoffene Recyclingquote ersetzt werden. Dies würde technische Innovationen im mengenmäßig dominanten Recycling von Verpackungen fördern.
• Eine gesamtökologische Betrachtung von Recyclingverfahren oder Verfahrens­kombinationen für spezifische Altkunststoffe muss noch erbracht werden.
• Eine teilweise Substitution von erdölbasierten Basischemikalien durch chemische Rezyklate bspw. auf Basis von Kunststoffabfällen erscheint technologisch möglich.

Im Positionspapier stellt Fraunhofer CCPE eine Forschungsagenda vor:

1. Analyse von kunststoffhaltigen Abfällen verbessern
2. Transparenz über ökonomische und ökologische Auswirkungen durch Langzeitbetrieb herstellen
3. Dynamische Bewertungsmodelle für die Abfallbehandlung entwickeln
4. Recyclingtechnologien koppeln
5. Automatisierte, KI-basierte gestufte Recyclingverfahren erforschen
6. Rezyklate und Zwischenprodukte aus den Recyclingprozessen optimieren

• Ressourcenschonende Alternative für Gemüseanbau

Der Trend geht in Richtung nachhaltige Ernährung, immer mehr stehen Qualität und Regionalität im Fokus. Eine große Herausforderung gerade für dicht besiedelte Räume. Die Stadt Düsseldorf ist in diesem Bereich sehr aktiv und entwickelt neue Konzepte für die Innenstadt. So wird die Realisierung einer vertikalen Indoor Farm direkt am Carlsplatz untersucht, die nach dem Vorbild des Oberhausener ALTMARKTgartens ressourcenschonend pflanzliche Lebensmittel produziert. Im Auftrag der Stadt Düsseldorf erstellt das Fraunhofer UMSICHT aktuell eine Machbarkeitsstudie.

Anders als in der konventionellen Landwirtschaft werden beim sogenannten Vertical Farming Gemüse, Salat oder Kräuter nicht auf Feldern, sondern z. B. an Fassaden oder auf Gebäudedächern angebaut. »Gerade die großen Dachflächen innerstädtischer Gebäude bieten gute Voraussetzungen, um platzsparend zu produzieren«, erklärt Volkmar Keuter vom Fraunhofer UMSICHT, Leiter der Machbarkeitsstudie.

Südlich der Düsseldorfer Altstadt liegt mit dem Carlsplatz der älteste noch betriebene Marktplatz der Stadt. Das Angebot ist groß: Es gibt Exotisches, aber auch mehr und mehr regionale Produkte zu kaufen. Dieser Trend deckt sich mit dem Wunsch vieler Marktbesucherinnen und Marktbesucher nach einer größeren Auswahl nachhaltig produzierter Lebensmittel. Dazu beitragen könnte in Zukunft eine Indoor Farm direkt am Carlsplatz.

Innerhalb der Machbarkeitsstudie werden auch mögliche Verknüpfungen und Synergieeffekte zu anderen Standorten betrachtet. Das Auftaktgespräch mit Vertreterinnen und Vertretern der Stadt Düsseldorf fand am 28. Juli 2021 statt.

Oberhausen als Vorbild für klimaschonenden urbanen Anbau
Gut 30 km nördlich zeigt der ALTMARKTgarten in Oberhausen eine Variante, wie die geplante Indoor Farm in Düsseldorf aussehen könnte. Nach dem am Fraunhofer UMSICHT entwickelten inFARMING®-Konzept werden hier seit 2019 landwirtschaftliche Produkte auf dem Dach des Jobcenters angebaut. Der Anbau erfolgt hydroponisch, d. h. die Pflanzen werden erdfrei durch eine wässrige Lösung ernährt. »So wird sichergestellt, dass die Pflanzen genau die Wasser- und Nährstoffmenge zugeführt bekommen, die sie zum jeweiligen Zeitpunkt benötigen«, erklärt Volkmar Keuter. Zudem befinde sich der Standort sehr zentral, wodurch lange Lieferketten entfallen, Transportkosten minimiert werden und der Verkehr entlastet wird. Die hergestellten Produkte sind dadurch nicht nur qualitativ hochwertig, sondern auch nachhaltig.

Im ALTMARKTgarten wird nicht nur produziert, er ist gleichzeitig auch Forschungsobjekt des Fraunhofer UMSICHT. Ein interdisziplinäres Team entwickelt die gebäudeintegrierte Landwirtschaft weiter und arbeitet an neuen Technologien. Denn die Nutzung bestehender Strukturen – in diesem Fall das Dach – ist das eine. Das andere sind die technischen Komponenten, zu denen neben einer optimalen Beleuchtung vor allem die Nutzung der vorhandenen Ressourcen zählt. Das Gebäude liefert nämlich Abwärme und Abwasser, die für das Pflanzenwachstum eingesetzt werden können.
Akzeptanz in der Bevölkerung

In den kommenden sechs Monaten prüfen Forschende des Fraunhofer UMSICHT gemeinsam mit einem interdisziplinären Team, bestehend aus der Wolfgang Block Industrie- und Gartenbau GmbH & Co. KG (technische und pflanzenbautechnische Konzeption) und PASD Feldmeier • Wrede Architekten BDA Stadtplaner SRL PartG mbB (städtebauliche Analyse, Integration des Vertical Farming in ein bauliches Konzept und in die städtebauliche Umgebung) die Umsetzung des inFARMING®-Konzepts auf den Carlsplatz.

Neben einer detaillierten Standortanalyse und der Formulierung konkreter Ziele wird es auch eine Beteiligung der Bewohnerinnen und Bewohner sowie der ansässigen Händler geben.
Die Studie soll im Dezember 2021 abgeschlossen werden.

• Introducing TexCoat G4 to US textile industry
• Non-contact precision spray fabric-finishing system enhances sustainability and process control

Baldwin Technology Company Inc. will be showcasing its TexCoat G4 non-contact precision spray fabric-finishing system at the Techtextil North America trade show, held Aug. 23 to 25, in Raleigh, North Carolina.

With extensive sustainability benefits, unprecedented tracking and process control, and Industry 4.0 integration, the TexCoat G4 provides consistently high-quality fabric finishing, with no chemistry waste, and significantly reduced water and energy consumption.

Baldwin’s innovative non-contact spray technology eliminates chemistry dilution in wet-on-wet processes. The TexCoat G4 consistently and uniformly sprays chemistry across the fabric surface and applies it only where needed, on one or both sides.

Customers can expect no bath contamination during the finishing process, as well as minimal downtime during changeovers, which are made easy with recipe management that includes automated chemistry and coverage selection. The TexCoat G4 also enhances sustainability by wasting no chemistry during color, fabric or chemistry changeovers, and because only the required chemistry volume is applied to the fabric, wet pick-up levels can be reduced by up to 50 percent—leading to 50 percent less water and energy consumption.

Furthermore, in single-side applications, drying steps can be eliminated for various textiles, including those that are back-coated and laminated, thereby streamlining and simplifying the production process.

With the organIQ BLEACH system the CHT Group was the first textile chemical supplier, who offered an ecological alternative to potassium permanganate as a bleaching treatment for Denim. Today, CHT's organIQ products reach beyond the limits of the standards and are state of the art in ecological jeans production worldwide.

In recent years, CHT has continued to research and further develop the organIQ system to find enhancements to the organIQ range that further optimise the system from an ecological point of view and at the same time provide even more variable and broader application possibilities.

organIQ EMS Jeans (Ecological Modular System for Jeans treatment) is based on several modules and every module corresponds to a treatment step. These steps can be mixed and matched in various ways and flexible orders to achieve a great deal of looks and effects.

The new EMS Jeans family supports most modern denim finishing processes. By using selected organIQ products together with water saving nebulization technologies, extremely low water consumptions can be achieved.

Due to this technology, all relevant treatments can be realized at room temperature which is a great energy saving opportunity. Moreover, the pollution of wastewater with toxic substances can be drastically reduced in comparison to common, previously applied denim treatments.

Sie ist in fast jedem Schrank: Funktionskleidung – ob als Shirt zum Joggen oder als Jacke zum Wandern. Spezielle Beschichtungen der Textilien sorgen für trockene Haut, indem sie Regen nicht durchdringen lassen und Schweiß nach außen leiten. Forschungsteams der Hochschule Niederrhein und des DWI – Leibniz-Instituts für Interaktive Materialien aus Aachen arbeiten gemeinsam an einer neuen Art umweltfreundlicher Funktionskleidung.
 
Die üblicherweise verwendeten Materialien, sogenannte halbdurchlässige Membranen, sind weder umweltverträglich noch recyclingfähig. Durch diese dünnen Trennschichten wird Kleidung mit verschiedenen Funktionen ausgestattet, beispielsweise Nässeschutz, Atmungsaktivität und eine natürliche Temperaturregulierung. Die Membranen finden Anwendung im Sport-, Outdoor- und Workwear-Segment, aber auch in Heimtextilien (etwa Matratzenschutz), Schuhen und technischen Textilien aus dem Medizinbereich.
 
Ziel des Projekts ist es, eine Membran zu entwickeln, die sich bei körperlicher Betätigung speziell auf ihren Träger einstellt. Die Lösung, an der die Partner arbeiten, ist eine neue Barrieremembran aus sogenannten thermoplastischen Elastomeren. In die Membran sind Mikrogele eingebaut - kleine Partikel, die Wasser aufnehmen, wieder abgeben können und biokompatibel sind. Durch Kombination eines Trägermaterials mit Mikrogelen soll eine umweltfreundliche, pflegeleichte semipermeable Barriere mit hoher Funktionalität entwickelt werden. Zusätzlich werden spezielle Verfahren zur Beschichtung von Textilien mit diesen Membranen angewandt, die ein verbessertes Recycling der Kleidung ermöglichen und ebenfalls auf den Einsatz umweltbelastender Substanzen verzichten.
 
Um dieses Ziel zu erreichen, bündeln die Forscherteams ihre Kompetenzen aus den Bereichen Polymerchemie und Textiltechnik. Die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler forschen daran, die Mikrogel-basierten Membranen mittels 3D-Druck als digitale Beschichtungsmethode nur an bestimmten Stellen eines Kleidungsstücks.
 
Von der Forschung profitieren sollen insbesondere Betriebe aus der verarbeitenden Industrie, darunter viele kleine und mittelständische Unternehmen aus dem Bereich der Sport-, Funktions- und Arbeitsbekleidung sowie der Medizin-Textilien. Das Forschungsvorhaben wird von einem Projektausschuss begleitet, in dem verschiedene Unternehmen und Partner entlang der Produktionskette des Rohstoffs bis zur Materialverwertung vertreten sind.  Das Projekt läuft über zwei Jahre und hat ein Gesamtvolumen von rund 500.000 Euro.

• Energiewende – gemeinsam für eine klimaneutrale Zukunft
• Wissenschaftskommunikation Energiewende: Für Energieforschung begeistern und Innovationen für das Energiesystem von morgen zeigen.

Wie können wir die Energiewende gemeinsam umsetzen? Dieser Frage widmet sich ab 2022 eine Ausstellung, die das gesamte Bundesgebiet bereist und durch zahlreiche Veranstaltungen und partizipative Angebote begleitet wird. In dem gemeinsamen Projekt präsentieren Forschungseinrichtungen, Hochschulen, Ausstellungshäuser sowie Akteure der Wissenschaftskommunikation Lösungen für eine sichere, wirtschaftliche und klimaneutrale Energieversorgung und nehmen Ideen und Meinungen der Bürgerinnen und Bürger dazu auf. Parallel werden die Wahrnehmung des Themas Energiewende in der Öffentlichkeit und die Wirkung des Projekts selbst erforscht.

Ausstellung ab April 2022

Im Mittelpunkt steht eine Ausstellung, die vom Industriemuseum des Landschaftsverbandes Westfalen-Lippe (LWL) und dem Klimahaus Bremerhaven 8° Ost entwickelt wird. Erste Station ist ab April 2022 die Henrichshütte Hattingen im Ruhrgebiet, ab Oktober 2022 ist die Ausstellung im Klimahaus zu sehen. Sie stellt mit Hilfe interaktiver und partizipativer Elemente Konzepte und Ideen der Energiewende sowie innovative Forschungsprojekte vor. Dabei werden auch die regionalen Besonderheiten im Umfeld der beiden Ausstellungshäuser aufgegriffen. Im Anschluss an die Präsentation in Hattingen und Bremerhaven tourt eine daraus entwickelte Wanderausstellung durch das Bundesgebiet.

Die Konzeption der Ausstellung und ihre Rezeption werden von der TU Ilmenau kommunikationswissenschaftlich begleitet. Erkenntnisse aus der Begleitforschung können dadurch direkt in die Ausstellung und das Rahmenprogramm zurückfließen. Im Zentrum des Projekts steht dabei die Frage, wie erfolgreiche Wissenschaftskommunikation zur Energiewende vor allem mit Blick auf regionale Aspekte gelingen kann und welchen Einfluss standortspezifische Faktoren auf die Rezeption haben.

Projektpartner

    Industriemuseum des Landschaftsverbandes Westfalen-Lippe (LWL)
    Klimahaus Bremerhaven 8° Ost
    Technische Universität Ilmenau, Fachgebiet Empirische Medienforschung und politische Kommunikation
    DECHEMA Gesellschaft für chemische Technik und Biotechnologie e. V.
    Fraunhofer UMSICHT
    Fraunhofer-Cluster CINES
    Wissenschaft im Dialog

Kooperationspartner

    Kopernikus Projekte für die Energiewende
    Carbon2Chem®

Wie entwickeln und nutzen Familienunternehmen in Deutschland Umwelttechnologien, und welchen Beitrag leisten sie zum Umweltschutz? Das untersuchte das Fraunhofer-Institut für Umwelt-, Sicherheits- und Energietechnik UMSICHT für die Stiftung Familienunternehmen in der heute veröffentlichten Studie »Technologieatlas Nachhaltigkeit«. Das Ergebnis: Familienunternehmen sind in den 15 wichtigsten Umwelttechnologien sehr aktiv und tragen in hohem Maße zum Klimaschutz, zur Ressourcen- und Energiewende, zur Digitalisierung oder auch zur nachhaltigen Mobilität bei.

Damit Europa bis 2050 der erste klimaneutrale Kontinent wird – so legten es die Staaten der EU im European Green Deal fest - , sind vielfältige Technologien im Bereich der Umwelttechnik notwendig. Welche Technologien und Branchen genau dazu gehören, wie sich diese priorisieren oder bewerten lassen, und wie Familienunternehmen diese voranbringen, untersuchte das Fraunhofer UMSICHT in einer Studie. Das Forschungsteam erstellte einen »Technologieatlas Nachhaltigkeit«, der den gegenwärtigen Stand der Umwelttechnik in Deutschland beschreibt. Hierin wurde speziell der Beitrag von Familienunternehmen identifiziert, und es wurden Perspektiven für zukünftige, nachhaltige Entwicklungen aufgezeigt.

Untersuchte Umwelttechnologien
Folgende Technologien wurden betrachtet: Photovoltaik, Windkraft, Recycling, Biotechnologie, Wasseraufbereitung und Abwasserbehandlung, Wärmepumpen, Batterien, Wärmedämmung (thermische Isolierung), Leichtbau, Smart Home, Wasserstofftechnologie, Luftreinhaltung, Biokunststoffe, E-Fuels und übergreifend die Digitalisierung.  

Die Wissenschaftler*innen erstellten zu jeder Technologie Steckbriefe, die unter anderem Märkte und Arbeitsplätze, spezifische Herausforderungen und Hemmnisse, Innovationen und Zukunftsperspektiven aufzeigen. Die Studie und die Steckbriefe beruhen auf einer intensiven Literaturrecherche, Interviews mit Expert*innen in den Unternehmen und dem Input aus einen Beiratstreffen mit Vertreter*innen aus Familienunternehmen und Vertretern aus der Politik.

Familienunternehmen tragen in großem Maß zur Ressourcenschonung bei
In den Technologiefeldern Photovoltaik und Windkraft sind die meisten Familenunternehmen tätig. Weiterhin weisen die Bereiche E-Fuels, Wasserstoff und Batterien perspektivisch ein starkes Wachstumspotenzial auf. Eins der übergreifenden Ergebnisse: Familienunternehmen übernehmen in der Entwicklung und Anwendung der wichtigsten Umwelttechnologien eine wichtige Rolle. »Sie erachten den Kampf gegen den Klimawandel und Ressourcenschonung als zentrale Aufgabe und leisten wesentliche Beiträge, um die damit verbundenen Herausforderungen zu bewältigen. Sie sind bereit, in Innovationen zu investieren«, erläutert Markus Hiebel, Leiter der Studie und Abteilungleiter Nachhaltigkeit und Partizipation des Fraunhofer UMSICHT.

Wasserstofftechnologien, E-Fuels und Batterien sind Schlüsseltechnologien zur Sektorenkopplung. Die Verbindung über Branchen hinaus erfordert eine hohe Flexibilität der beteiligten Unternehmen – eine Fähigkeit, die insbesondere Familienunternehmen zugesprochen wird. »Unsere Klimaziele werden wir nur mit einer Vielzahl verschiedener und sich ergänzender Aktivitäten und Technologien erreichen. Das Know-How der Familienunternehmen in ihren jeweiligen Nischen ist dafür der wesentliche Schlüssel zum Erfolg«, sagt Stefan Heidbreder, Geschäftsführer der Stiftung Familienunternehmen.

Entscheidend für den weiteren Erfolg ist, dass die Politik technologieoffen agiert. Alle relevanten Umwelttechnologien sollten gleichermaßen berücksichtigt und keine diskriminiert werden. Der politische Rahmen sollte zudem planbar, verlässlich und möglichst global sein. Es braucht auch eine leistungsfähige digitale Infrastruktur sowie eine höhere Verfügbarkeit von Expert*innen.

Wesentliche Innovationstreiber im Bereich der Umwelttechnik sind oft staatliche Regulierungen wie ein Preis für CO2 oder Mindestrecyclingquoten. Um eine verlässliche Steuerungswirkung zu entfalten, sollten diese länderübergreifend gültig sein.

Die Studie ist als PDF zum Download beigefügt.

Produktionsketten defossilisieren sowie eine zirkuläre, treibhausgasneutrale Stoff- und Energiewandlung etablieren – die chemische Industrie hat sich in Sachen Nachhaltigkeit ehrgeizige Ziele gesetzt. Unterstützung bei diesem Prozess leisten ab sofort neun Institute der Fraunhofer-Gesellschaft: Im Leitprojekt ShaPID wollen sie ihre Forschungsaktivitäten für das Erreichen der Nachhaltigkeitsziele bündeln und gleichzeitig ihre Beziehungen zur Branche stärken.

»Konkret wollen wir zeigen, dass eine nachhaltige, grüne Chemie durch praxisnahe technologische Innovationen möglich ist«, erläutert Prof. Ulf-Peter Apfel vom Fraunhofer UMSICHT, einem der beteiligten Institute. »Auf Grundlage der international anerkannten „12 Principles of Green Chemistry“ wollen wir gemeinsam neue Methoden und Technologien entwickeln.« Im Fokus der Forschende stehen dabei vier komplementäre Bereiche: (1) die Synthese-, Reaktions- und Katalysetechnik, (2) die kontinuierliche Prozess- und Verfahrenstechnik, (3) die Modellierung, Simulation und Prozessoptimierung sowie (4) die Digitalisierung und Automation.

Vom grünen Rohstoff zum grünen Produkt
Die Anwendung der neuen Technologien und Methoden soll im technischen Maßstab an drei Referenzprozessen demonstriert werden, die unterschiedliche Produktsparten der Chemie adressieren: Bei »Green Plastics« geht es um die Gestaltung neuer Polymere aus CO2 und biogenen Rohstoffquellen, während bei »Green Monomers« energieeffiziente Synthesen von Monomeren aus nicht-fossilen Rohstoffen beleuchtet werden. Last but not least wird bei »Efficient Building Blocks« der Einsatz hochreaktiver Moleküle für die atomeffiziente Synthese untersucht. »Alle drei Prozesse beschreiten den Weg vom grünen Rohstoff über eine grüne Prozessführung bis hin zu grünen Produkten«, so Ulf-Peter Apfel. »Die Entwicklung wird eng sowohl von Life Cycle Assessments und Systemanalysen als auch von REACh-Bewertungen und (Öko-)Toxizitätsvorhersagen begleitet.«

Die Forschenden des Fraunhofer UMSICHT konzentrieren sich im Rahmen von ShaPID auf die Etablierung von Demonstratoren im Bereich »Green Monomers«. »Dabei geht es vor allem um die alternative Synthese von 1,4-Butadien und Diolen – allesamt wichtige Verbindungen für die chemische Industrie – aus nachwachsenden Rohstoffen über neue thermische und elektrochemische Pfade«, erklärt Dr. Barbara Zeidler-Fandrich.

• Kohlenstoff mit mehreren Leben

Geht es um die Zukunft der motorisierten Mobilität, reden alle vom Antrieb: Wie viel E-Auto, wie viel Verbrenner verträgt die Umwelt und braucht der Mensch? Zugleich stellen neue Antriebe erhöhte Anforderungen nicht nur an den Motor, sondern auch an dessen Gehäuse und die Karosse: Für solch anspruchsvolle Anwendungen kommen häufig Carbonfasern zum Einsatz. Wie der Antrieb der Zukunft, sollten auch die Werkstoffe am Fahrzeug umweltfreundlich sein. Deshalb ist Recycling von Carbonfasern gefragt. Lösungen dafür haben Institute der Zuse-Gemeinschaft entwickelt.

Carbonfasern, auch als Kohlenstofffasern oder verkürzt als Kohlefasern bekannt, bestehen fast vollständig aus reinem Kohlenstoff. Sehr energieaufwändig wird er bei 1.300 Grad Celsius aus dem Kunststoff Polyacrylnitril gewonnen. Die Vorteile der Carbonfasern: Sie haben kaum Eigengewicht, sind enorm bruchfest und stabil. Solche Eigenschaften benötigt man z.B. am Batteriekasten von E-Mobilen oder in Strukturbauteilen der Karosserie. So arbeitet das Sächsische Textilforschungsinstitut e.V. (STFI) aktuell gemeinsam mit Industriepartnern daran, statisch-mechanische Stärken der Carbonfasern mit Eigenschaften zur Schwingungsdämpfung zu verknüpfen, um die Gehäuse von E-Motoren im Auto zu verbessern. Angedacht ist in dem vom Bundeswirtschaftsministerium geförderten Projekt die Entwicklung sogenannter Hybridvliesstoffe, die neben der Carbonfaser als Verstärkung weitere Faserstoffe enthalten. „Wir wollen, die Vorteile unterschiedlicher Faserstoffe verbinden und so ein optimal auf die Anforderungen abgestimmtes Produkt entwickeln“, erläutert Marcel Hofmann, STFI-Abteilungsleiter Textiler Leichtbau.

Damit würden die Chemnitzer Forschenden bisherige Vliesstoff-Lösungen ergänzen. Sie blicken auf eine 15-jährige Geschichte in der Arbeit mit recycelten Carbonfasern zurück. Der globale Jahresbedarf der hochwertigen Fasern hat sich im vergangenen Jahrzehnt fast vervierfacht, laut Angaben der Industrievereinigung AVK auf zuletzt rd. 142.000 t. „Die steigende Nachfrage hat das Recycling immer stärker in den Fokus gerückt“, betont Hofmann. Carbonfaserabfälle sind ihm zufolge für etwa ein Zehntel bis ein Fünftel des Preises von Primärfasern erhältlich, müssen aber noch aufbereitet werden. Dreh- und Angelpunkt für den Forschungserfolg der recycelten Fasern sind konkurrenzfähige Anwendungen. Die hat das STFI nicht nur am Auto, sondern auch im Sport-Freizeitsektor sowie in der Medizintechnik gefunden, so in Komponenten für Computertomographen. "Während Metalle oder Glasfasern als potenzielle Konkurrenzprodukte Schatten werfen, stört Carbon die Bilddarstellung nicht und kann seine Vorteile voll ausspielen“, erläutert Hofmann.

Papier-Knowhow nutzen
Können recycelte Carbonfasern nochmals den Produktkreislauf durchlaufen, verbessert das ihre CO2-Bilanz deutlich. Zugleich gilt: Je kürzer die Carbonfasern, desto unattraktiver sind sie für die weitere Verwertung. Vor diesem Hintergrund entwickelten das Forschungsinstitut Cetex und die Papiertechnische Stiftung (PTS), beide Mitglieder der Zuse-Gemeinschaft, im Rahmen eines Forschungsvorhabens ein neues Verfahren, das bislang wenig geeignet erscheinende Recycling-Carbonfasern ein zweites Produktleben gibt. „Während klassische Textilverfahren die ohnehin sehr spröden Recycling-Carbonfasern in Faserlängen von mind. 80 mm trocken verarbeiten, beschäftigten wir uns mit einem Verfahren aus der Papierindustrie, welches die Materialien nass verarbeitet. Am Ende des Prozesses erhielten wir, stark vereinfacht gesprochen, eine flächige Matte aus recycelten Carbonfasern und Kunststofffasern“, erläutert Cetex-Projektingenieur Johannes Tietze das Verfahren, mit dem auch 40 mm kurze Carbonfasern zu attraktiven Zwischenprodukten recycelt werden können. Das danach in einem Heißpressprozess entstandene Erzeugnis dient als Grundmaterial für hochbelastbare Strukturbauteile. Zusätzlich wurden die mechanischen Eigenschaften der Halbzeuge durch die Kombination mit endlosfaserverstärkten Tapes verbessert. Das Recyclingprodukt soll, so die Erwartung der Forschenden, glasfaserverstärkten Kunststoffen, Konkurrenz machen, z.B. bei Anwendungen im Schienen- und Fahrzeugbau. Die Ergebnisse fließen nun in weiterführende Forschung und Entwicklung im Kooperationsnetzwerk Ressourcetex ein, einem geförderten Verbund von 18 Partnern aus Industrie und Wissenschaft.

Erfolgreiche Umsetzung in der Autoindustrie
Industriereife Lösungen für die Verwertung von Carbonfaser-Produktionsabfällen werden im Thüringischen Institut für Textil- und Kunststoff-Forschung Rudolstadt (TITK) entwickelt. Mehrere dieser Entwicklungen wurden mit Partnern beim Unternehmen SGL Composites in Wackersdorf industriell umgesetzt. Die Aufbereitung der so genannten trockenen Abfälle, hauptsächlich aus Verschnittresten, erfolgt nach einem eigenen Verfahren. „Dabei führen wir die geöffneten Fasern verschiedenen Prozessen zur Vliesherstellung zu“, sagt die zuständige Abteilungsleiterin im TITK, Dr. Renate Lützkendorf. Neben den Entwicklungen für den Einsatz z.B. im BMW i3 in Dach oder Hintersitzschale wurden im TITK spezielle Vliesstoffe und Verfahren für die Herstellung von Sheet Molding Compounds (SMC) etabliert, das sind duroplastische Werkstoffe, die aus Reaktionsharzen und Verstärkungsfasern bestehen und zum Pressen von Faser-Kunststoff-Verbunden verwendet werden. Eingang fand dies z.B. in einem Bauteil für die C-Säule des 7er BMW. „In seinen Projekten setzt das TITK vor allem auf die Entwicklung leistungsfähigerer Prozesse und kombinierter Verfahren, um den Carbonfaser-Recyclingmaterialien auch von den Kosten her bessere Chancen in Leichtbauanwendungen einzuräumen“, betont Lützkendorf. So liege der Fokus gegenwärtig auf dem Einsatz von CF-Recyclingfasern in thermoplastischen Prozessen zur Platten- und Profilextrusion. „Ziel ist es, die Kombination von Kurz- und Endlosfaserverstärkung in einem einzigen, leistungsfähigen Prozess-Schritt zu realisieren.“